Cambridge (USA) – Mit ebenso spektakulären wie hypnotisch-schönen Aufnahmen ist es US-Forschern gelungen zu zeigen, wie sich das Leben in einer gerade befruchteten Eizelle ausbreitet, wenn sich aktivierte Proteine in einer sprialförmigen Wellen durch die Eizell-Membran ausbreiten und so das Starsignal zur Zellteilung geben.
Wie das Team um Professor Nikta Fakhri und Jörn Dunkel vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) aktuell im Fachjournal “Nature Physics” (DOI: 10.1038/s41567-020-0841-9) berichten, zeigt die Aufnahme eine Reihe von Wellenbewegungen, die von Milliarden aktivierter Proteine in der Zellmembran der Eizelle erzeugt werden, die auf diese Weise der Eizelle das Startsignal zur Zellteilung geben, um so die zelluläre Keimzelle eines Organismus entstehen zu lassen.
Zugleich beschreiben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, dass die gleichen Wellenbewegungen auch in anderen Systemen, von Ozeanen über atmosphärische Zirkulation bis hin zu Quantenflüssigkeiten beobachtet werden können.
Die Aufnahmen gelangen den Forschern mit Hilfe von Seestern-Eizellen, die sie als Modell-Eizelle zahlreicher anderer Tierarten beschreiben. In diese zunächst noch unbefruchteten Eizellen injizierten die Wissenschaftler ein bestimmtes Hormon, um so die Befruchtung zu simulieren und den daraufhin einsetzenden Wellentanz mit Hilfe von an ein bestimmtes Protein gebundenen fluoreszierenden Markern zu beobachten und zu dokumentieren.
„Jede Welle erscheint in einer Art Spiralmuster, die sich in vielfacher Ausformung zugleich über die Oberfläche der Eizelle bewegen. Einige dieser Spiralen erscheinen ganz spontan und wirbeln in unterschiedlichen Richtungen davon, während andere miteinander direkt kollidieren und sich unmittelbar wieder verschwinden“, so die Autoren.
Das Verhalten dieser Wirbel, sei mit dem Verhalten von Wellen in anderen und zudem vermeintlich nicht mit Eizellen in Verbindung stehenden Medien und Systemen zu vergleichen. Als Beispiele nennen die Forscher Wirbel in Quantenflüssigkeiten, die Zirkulationen in der Erdatmosphäre und den Ozeanen, sowie in Muster, die von elektrischen Signalen beobachtet werden können, die sich durch das Herz und Hirn ausbreiten.
„Bislang wissen wir noch recht wenig über die Dynamiken dieser Oberflächenwellen auf Eizellen. Nachdem wir sie erstmals beobachten konnten, haben wir damit begonnen, diese Wellen zu analysieren, zu modellieren und entdeckten, dass die gleichen Muster auch in anderen Systemen auftreten“, berichtet Fakhri und bemerkt hinzu: „Es ist eine Manifestation eines offenbar universellen Wellenmusters.“
Schon frühere Studien hatten gezeigt, dass die Befruchtung einer Eizelle unmittelbar sogenannte Rho-GTP-Proteine aktiviert, sie sich – zunächst inaktiv – im Zytoplasma im Innern der Eizelle befinden. Einmal aktiviert steigen Milliarden dieser Proteine aus dem Zytoplasma auf die Oberfläche der Zellmembran auf, um sich hier in dem nun erstmals beobachteten und beschriebenen Muster auszubreiten.
„Stellen Sie sich ein verschmutztes Aquarium vor, in dem ein Fisch plötzlich dicht an der Glaswand vorbeischwimmt und nur so von außen sichtbar wird“, erläutert Dunkel und führt dazu weiter aus: „Etwas Ähnliches passiert auch im Innern der Zelle und wenn diese Proteine aktiviert werden, kommen sie an die Zellmembran an und beginnen sich über deren Oberfläche zu bewegen. Auf diese Weise beginnt die Zelle sich für die Zellteilung rund um den Zellkern vorzubereiten.“
„Das Ei selbst ist eine große Zelle und alle diese Proteine müssen zusammenarbeiten, um das Zentrum zu finden, damit die Zelle weiß, wo sie sich teilen und falten muss, um einen Organismus zu bilden“, so Fakhri. „Ohne diese Proteine und ihre wellenförmige Ausbreitung, gäbe es keine Zellteilung.“
Anhand ihrer Aufnahmen konnten die Wissenschaftler beobachten, dass sich die Wellen oszillierend nach auch in kleinen Hurrikan-artigen Spiralen ausbreiten. Es gelang ihnen zudem den Ursprung jeder dieser Wellen auch das Zentrum einer jeden Spirale zurückzuführen – ein Effekt, den die Forscher als „topolgischen Defekt“ bezeichnen. Mit Hilfe statistischer Analysen dazu, wie schnell und oft sich diese Spiralwellen über die Oberfläche der Zelle hinwegbewegten, in welchen Konfigurationen sie auftreten, miteinander kollidieren und wieder verschwinden, entdeckten die Wissenschaftler Übereinstimmungen zum Verhalten ähnlicher Muster in gänzlich unabhängigen und deutlich größeren Systemen: „Wir haben es hier mit einem universellen Phänomen zu tun, das lediglich auf den Maßstab einer Zelle reduziert ist“, so Dunkel.
Für die Forscher eröffnet die Beobachtung völlig neue Perspektiven für deren Erforschung man viele Techniken nutzen könne, die bereits von anderen zur Erforschung ähnlicher Wirbelmuster in anderen Systemen genutzt werden, um so mehr über die Biologie zu erfahren. In weiteren Untersuchungen wollen die Forscher nun ihre Beobachtungen auf andere Systeme übertragen: „So wie dieses Wellenmuster in einer Eizelle spezielle Signale (in diesme Fall zur Zellteilung) übermittelt, ist etwa die Datenverarbeitung mit einem Quantencomputer darum bemüht, Atome in einer Flüssigkeit zu präzisen Mustern anzuordnen, um so Informationen zu übersetzten und so Rechenoperationen auszuführen. Vielleicht können wir von den Spiralmustern der Zelle lernen und diese Erkenntnisse auf Quantenflüssigkeiten übertragen, um so Minicomputer aus biologischen Zellen konstruieren zu können“, so Fakhri abschließend. „Wir erwarten zwar einige Unterschiede, aber wir wollen durch die weitere Erforschung biologische Signalwellen versuchen, diese als weiteres Werkzeug für Quantencomputer zu nutzen.“
Wie das Team um Professor Nikta Fakhri und Jörn Dunkel vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) aktuell im Fachjournal “Nature Physics” (DOI: 10.1038/s41567-020-0841-9) berichten, zeigt die Aufnahme eine Reihe von Wellenbewegungen, die von Milliarden aktivierter Proteine in der Zellmembran der Eizelle erzeugt werden, die auf diese Weise der Eizelle das Startsignal zur Zellteilung geben, um so die zelluläre Keimzelle eines Organismus entstehen zu lassen.
Zugleich beschreiben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, dass die gleichen Wellenbewegungen auch in anderen Systemen, von Ozeanen über atmosphärische Zirkulation bis hin zu Quantenflüssigkeiten beobachtet werden können.
Die Aufnahmen gelangen den Forschern mit Hilfe von Seestern-Eizellen, die sie als Modell-Eizelle zahlreicher anderer Tierarten beschreiben. In diese zunächst noch unbefruchteten Eizellen injizierten die Wissenschaftler ein bestimmtes Hormon, um so die Befruchtung zu simulieren und den daraufhin einsetzenden Wellentanz mit Hilfe von an ein bestimmtes Protein gebundenen fluoreszierenden Markern zu beobachten und zu dokumentieren.
„Jede Welle erscheint in einer Art Spiralmuster, die sich in vielfacher Ausformung zugleich über die Oberfläche der Eizelle bewegen. Einige dieser Spiralen erscheinen ganz spontan und wirbeln in unterschiedlichen Richtungen davon, während andere miteinander direkt kollidieren und sich unmittelbar wieder verschwinden“, so die Autoren.
Das Verhalten dieser Wirbel, sei mit dem Verhalten von Wellen in anderen und zudem vermeintlich nicht mit Eizellen in Verbindung stehenden Medien und Systemen zu vergleichen. Als Beispiele nennen die Forscher Wirbel in Quantenflüssigkeiten, die Zirkulationen in der Erdatmosphäre und den Ozeanen, sowie in Muster, die von elektrischen Signalen beobachtet werden können, die sich durch das Herz und Hirn ausbreiten.
„Bislang wissen wir noch recht wenig über die Dynamiken dieser Oberflächenwellen auf Eizellen. Nachdem wir sie erstmals beobachten konnten, haben wir damit begonnen, diese Wellen zu analysieren, zu modellieren und entdeckten, dass die gleichen Muster auch in anderen Systemen auftreten“, berichtet Fakhri und bemerkt hinzu: „Es ist eine Manifestation eines offenbar universellen Wellenmusters.“
Schon frühere Studien hatten gezeigt, dass die Befruchtung einer Eizelle unmittelbar sogenannte Rho-GTP-Proteine aktiviert, sie sich – zunächst inaktiv – im Zytoplasma im Innern der Eizelle befinden. Einmal aktiviert steigen Milliarden dieser Proteine aus dem Zytoplasma auf die Oberfläche der Zellmembran auf, um sich hier in dem nun erstmals beobachteten und beschriebenen Muster auszubreiten.
„Stellen Sie sich ein verschmutztes Aquarium vor, in dem ein Fisch plötzlich dicht an der Glaswand vorbeischwimmt und nur so von außen sichtbar wird“, erläutert Dunkel und führt dazu weiter aus: „Etwas Ähnliches passiert auch im Innern der Zelle und wenn diese Proteine aktiviert werden, kommen sie an die Zellmembran an und beginnen sich über deren Oberfläche zu bewegen. Auf diese Weise beginnt die Zelle sich für die Zellteilung rund um den Zellkern vorzubereiten.“
„Das Ei selbst ist eine große Zelle und alle diese Proteine müssen zusammenarbeiten, um das Zentrum zu finden, damit die Zelle weiß, wo sie sich teilen und falten muss, um einen Organismus zu bilden“, so Fakhri. „Ohne diese Proteine und ihre wellenförmige Ausbreitung, gäbe es keine Zellteilung.“
Anhand ihrer Aufnahmen konnten die Wissenschaftler beobachten, dass sich die Wellen oszillierend nach auch in kleinen Hurrikan-artigen Spiralen ausbreiten. Es gelang ihnen zudem den Ursprung jeder dieser Wellen auch das Zentrum einer jeden Spirale zurückzuführen – ein Effekt, den die Forscher als „topolgischen Defekt“ bezeichnen. Mit Hilfe statistischer Analysen dazu, wie schnell und oft sich diese Spiralwellen über die Oberfläche der Zelle hinwegbewegten, in welchen Konfigurationen sie auftreten, miteinander kollidieren und wieder verschwinden, entdeckten die Wissenschaftler Übereinstimmungen zum Verhalten ähnlicher Muster in gänzlich unabhängigen und deutlich größeren Systemen: „Wir haben es hier mit einem universellen Phänomen zu tun, das lediglich auf den Maßstab einer Zelle reduziert ist“, so Dunkel.
Für die Forscher eröffnet die Beobachtung völlig neue Perspektiven für deren Erforschung man viele Techniken nutzen könne, die bereits von anderen zur Erforschung ähnlicher Wirbelmuster in anderen Systemen genutzt werden, um so mehr über die Biologie zu erfahren. In weiteren Untersuchungen wollen die Forscher nun ihre Beobachtungen auf andere Systeme übertragen: „So wie dieses Wellenmuster in einer Eizelle spezielle Signale (in diesme Fall zur Zellteilung) übermittelt, ist etwa die Datenverarbeitung mit einem Quantencomputer darum bemüht, Atome in einer Flüssigkeit zu präzisen Mustern anzuordnen, um so Informationen zu übersetzten und so Rechenoperationen auszuführen. Vielleicht können wir von den Spiralmustern der Zelle lernen und diese Erkenntnisse auf Quantenflüssigkeiten übertragen, um so Minicomputer aus biologischen Zellen konstruieren zu können“, so Fakhri abschließend. „Wir erwarten zwar einige Unterschiede, aber wir wollen durch die weitere Erforschung biologische Signalwellen versuchen, diese als weiteres Werkzeug für Quantencomputer zu nutzen.“
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